기고


병실의 기류 역학

관리자
2018-01-03 15:38
조회수 582




KlSHOR KHANKARI
Ph.D., FeIIow ASHRAE An Sight LLC 회장

▶핵심어 : 병실, 의료서비스, CFD, 기류, 공중 부유 입자, HVAC


본 연구는 전산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션으로 전형적인 병실 내부 기류 패턴과 온도 분포에 영향을 주는 급기 및 환기장치 위치를 거주자의 열 쾌적성 및 공기 매개 병원체의 예상 유동 경로와 함께 평가하고자 한다.

공기는 병실, 격리실, 수술실 등의 병원 시설에서 열, 습기, 오염물질, 공기매개 오염물질이 주로 이동하는 경로이다. 그러므로 이런 공간의 급기 이동 경로는 공기의 속도, 기온, 오염물질 농도, 공기매개 병원균의 흐름 경로를 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 이런 요소는 다시 거주자의 열 쾌적성, 실내 공기 품질, 표면 오염 분포, 실내 공기매개 병원균 이동 잠재력을 결정한다.

병실 내 공기매개 병원균 흐름 경로를 포함하여 기류 패턴, 온도 분포, 오염물질 농도는 여러 상호연관된 요소로 결정된다. 급기 확산 유형과 위치, 급기 흐름 속도(환기율), 관련 공기 확산기의 배출, 급기 온도, 실내 환기 규모와 위치, 욕실 배기 흐름 속도, 실내에 있는 각종 열원의 위치와 강도, 가구나 다른 공기 흐름 장애물의 배치, 실내에서 환자의 상대적 위치가 이런 요소에 들어간다.

또한, 방의 방향이 실내 태양열 부하를 결정할 수도 있다. 여러 연구에서 환기 장치 설계와 이런 환기장치의 기류 패턴이 시간 당 급기 흐름 속도나 환기 속도(ACH) 자체보다 오염물질의 흐름 경로 제어에 더 중요한 역할을 하는 것으로 나왔다. 병실 및 격리실에서 공기 흐름 패턴과 결과적으로 의료서비스 종사자가 공기 중 병원균에 노출될 수 있다는 연구 결과는 환자가 배출한 공기 중 에어로졸이 급기 확산기에서 실내공기 배출기로 이동하는 과정에 의료서비스 종사자에게 영향을 줄 수 있다는 것을 보여준다. 또 다른 연구에서는 기침 입자의 호기 흐름과 병원 내 환기 흐름의 상호 작용으로 입자 제거 및 침상 주위 입자 잔류 면에서 보면 기체 배출이 적은 것이 배출 위치를 달리 하는 것보다 결과가 더 나은 것을 알 수 있다.


가상 병실

이를 분석하기 위해 3차원 정상상태 CFD 병실 모형을 개발했다. 그림 1은 본 연구에서 고려한 다양한 가상 병실 구조에서 각각의 환자, 의료서비스 제공자, 좌석, 문-복도, 문-화장실, 급기-환기장치 위치를 보여준다. 병실 바닥 면적은 약 200sq. ft.(18.9m2)이고 천장 높이는 9피트(2.74m)이며 일부는 달아맨 천장 구조를 하고 있다. 모니터, 주입 펌프, 텔레비전, 컴퓨터를 포함하여 다양한 열원이 있다.

이런 기구에서 나오는 체감 열 부하는 2.2Btu/h/sq.ft.(6.84W/m2)로 가정했다. 거주자 2인의 체감 열부하
(환자, 의료서비스인)는 2.5Btu/h/sq.ft.(7.8W/m2)로, 조명에서 나오는 체감 열부하는 2.3Btu/h/sq.ft.(7.3W/m2)로 가정했다. 방의 창은 남향이고 태양열 이득은 9 Btu/h/sq.ft.(28.4W/m2)로 계산했다. 다른 외
벽은 모두 단열벽이라고 가정했다. 그리하여 이 병실의 총 체감 열부하는 16Btu/h/sq.ft.(50W/m2)로 보았고, 설계상 첨두 부하 조건보다 더 빈번히 접할 수 있는 부분 부하 조건에서 이렇게 분석했다.

공기는 각각 4피트(1.2m) 길이인 단일 슬롯(1인치, 25mm 폭) 선형 공기 확산기 3개로 공급한다. 총 급기 흐름속도와 급기 온도는 각각 227CFM(107l/s, 6ACH)와 58F(14.4°C)로 지정했다. 천장에 배치한 두 선형 공기 확산기는 창 쪽으로 향하며, 창을 향해 70CFM(33l/s)을 직접 공급하고, 환자 위쪽에 설치한 선형 공기 확산기는 급기량이 87CFM(41l/s)이다.

모든 선형 공기 확산기가 천정과 15도 각도로 공기를 배출하며, 이 각도는 임의로 선택했다. 실내는 음압 상태라 가정했다. 실내 환기량은 177CFM(112l/s), 욕실 실내공기 배출기 흐름 속도는 60CFM(28l/s)로 지정하여, 총 환기량은 복도에서 문 아래쪽으로 새어 나가는 공기량 10CFM(4.7l/s)을 뺀 237CFM(112l/s)로 설정했다.

ASHRAE 기초 핸드북(ASHRAE, 2013)에 나온 대로 온열쾌적감(PMV) 지수를 이용하여 거주자 열 쾌적성을 분석했다. CLO은 0.5, 의료서비스 제공자와 다른 거주자의 대사열 발생량(MET)은 1.2로 가정해 이 지수를 계산했다. 환자의 얼굴에서 시작하는 공기 흐름 경로를 추적하여 공기매개 병원균의 가능한 흐름 경로를 분석했다.

이 분석은 저-운동량 병원균 방출(즉, 큰 재채기 같은 고-운동량 방출은 고려하지 않음)에 초점을 맞추었고, 환자의 안면부에서 배출된 공기매개 병원균 대부분이 표면에 내려앉거나 쌓이는 효과는 무시하고 입자가 공기 흐름 경로를 따라간다고 가정했다. 이 가정은 Memarzadeh and Jiang(2000)의 작은 입자에 대한 가정과 일맥상통한다. 급기 및 환기 확산기 위치를 달리한 총 4가지 사례를 분석했고, 아래 그림 1에 나타냈다.

중략....   


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